机械毕业设计（论文）-电厂水处理系统的PLC自动控制【全套图纸】.doc

中国矿业大学2008届本科生毕业设计 第109页1 绪论全套图纸，加1538937061.1水在热力发电厂中的作用热力发电就是利用热能转变为机械能进行发电。现在我国用的比较普遍的热能来自各种燃料的化学能，此种发电称为火力发电；本设计以火力发电为主。对其用水质量的处理及其自动控制加以探讨。在火力发电厂中，水进入锅炉后，吸收燃料（煤、油或天然气）燃烧放出的热能，转变成蒸汽，导入汽轮机；在汽轮机中。蒸汽的热能转变成机械能；汽轮机带动发电机，将机械能转变成电能。所以锅炉和汽轮机为火力发电的主要设备。为了保证它们正常运行，对锅炉用水的质量有很严的要求，而且机组中蒸汽的参数愈高，对其要求也愈严。在凝汽式发电厂中，水汽呈循环状态运行。锅炉产生的蒸汽经汽轮机进入凝汽器，在这里它被冷却成了凝结水，此凝结水经泵送到低压加热器，加热后送入除氧器，再由给水泵将已除氧的水送到高压加热器后进入锅炉。图1.1所示就是这类电厂水汽系统的主要流程。在上述系统中，汽水的流动虽呈循环状，但这是主流，并非全部，在实际运行中不免有行些损失。造成汽水损失的主要原因有如下几个万面：（1）锅炉部分。锅炉的排污放水，锅炉安全门和过热器放汽门的向外排汽，用蒸气推动附属机械（如汽动给水泵），蒸汽吹灰和燃烧液体燃科（如油等）蒸汽雾化法等，都要浩成汽水损失。（2）汽轮机机组。汽轮机的轴封处要连续向外排汽，在抽气器和除氧器排气口处会随空气排出一些蒸汽，造成损失。（3）各种水箱。各种水箱（如疏水箱等）有溢流和热水的蒸汽等损失。（4）管道系统。各管道系统法兰盘连接处不严密和阀门漏泄等原因，也会造成汽水损失。 为了维持发电厂热力系统的水汽循环运行正常，就要用水补充这些损失，这部分称为补给水。凝汽式发电厂在正常运行情况下，补给水量不超过锅炉额定蒸发量的2%-4%。例如额定蒸发量每小时为100吨蒸汽的锅炉，其补给水量每小时不超过2-4吨。图1.1 热电厂水汽循环系统主要流程1-锅炉；2-汽轮机；3-发电机；4-凝汽器；5-凝结水泵；6-冷却水泵；7-低压加热器；8-除氧器；9-给水泵；10-高压加热器；11-水处理设备；12-返回凝结水箱；13-返回水泵 由于水在热力发电厂水汽循环系统中所经历的过程不同，水质常有较大的差别。因此，根据实用的需要，我们常给予这些水以不同的名称，现简述如下：（1）原水。原水是指未经过任何处理的天然水(如江河、湖、地下水，等等)，它是热力发电厂各种用水的来源。（2）锅炉补给水。原水经过各种方法净化处理后，用来补充热力发电厂汽水损失的水，称为锅炉补给水。锅炉补给水按其净化处理方洼的不同，又可分为软化水、蒸馏水和除盐水等。（3）凝结水。在汽轮机做功后的蒸汽经冷凝成的水，称为凝结水。（4）疏水。各种蒸汽管道和用气设备中的蒸汽冷凝水，称为疏水。它经疏水器汇集到疏水箱或并入凝结水系统中。(5)返回水。热电厂向热用户供热后，回收的蒸汽冷凝水。称为返回水。返回水又有热网加热器冷凝水和生产返回冷凝水之分。（6）给水。送进锅炉的水称为给水。凝汽式发电厂的给水，主要由凝结水、补给水和各种疏水组成。热电厂的给水组成中，还包括返回水。（7）锅炉水。在锅炉本体的蒸发系统流动着的水，称为锅炉水，习惯上简称炉水。（8）冷却水。用作冷却介质的水称为冷却水。在电厂中它主要是指通过凝汽器用以冷却汽轮机排汽的水。1.2 热力发电厂中水处理的重要性 水在热电厂具有特殊用途，通常被称为热电厂的“血液”。因此，水处理车间作为热电厂的一个重要的生产部门，其运营效果直接影响热电厂的安全运行及可靠性。同时，水处理车间的成本也在电厂的总成本中占很大比例。热电厂如何在目前市场电价较低，而煤、油、水等价格不断上涨的市场中立于不败之地?缩减热电厂各部门生产成本特别是水处理车间的成本是一条重要应对措施。长期的实践使人门认识到，热力系统中水的品质，是影响发电厂热力设备（锅炉、汽轮机等）安全、经运行的重要因素之一。没有经过净化处理的天然水含有许多杂质，这种水如进入水汽循环系统，将会造成各种危害。为了保证热力系统中良好的水质，必须对水进行适当的净化处理和严格地监督汽水质量。 现将热力发电厂中，由于汽水品质不良而引起的危害，简述如下：（1） 热力设备的结垢。（2）热力设备的腐蚀。（3）过热器和汽轮机的积盐。热力发电厂水处理工作就是为了保证热力系统各部分有良好的水汽品质，以防止热力设备的结垢、积盐和腐蚀。因此，在热力发电厂中，水处理工作对保证发电厂安全、经济运行具有于分重要的意义。1.3 PLC在发电厂化学水处理中的作用随着火电机组向大容量、高参数发展，机组在起停中需要监控的项目不断增加。可以设想，如此繁多的辅机、阀门若由电厂运行人员手动操作，是难以完成机组的起停工作的，甚至导致事故的进一步扩大。由此可见，在大中型电厂应普遍进行顺序控制。机组顺序控制系统的英文全称是Sequential Control System，简称SCS。随着计算机技术的发展，其可靠性大大提高，价格不断降低，在工业过程控制领域的应用越来越广泛。作为计算机过程控制的一个重要方面的顺序控制技术已广泛应用于大型火力发电厂的辅机顺控、输配煤顺控、化学水和凝结水处理的顺序控制、锅炉吹灰顺控、以及除灰和除渣顺控等系统。SCS包括主机的顺序控制和机组外围设备的顺序控制。机组主机的顺序控制可由可编程序控制器（PLC）实现，也可由集散控制系统实现。本设计就是由可编程序控制器（PLC）实现对2台13.5MW机组的锅炉补给水进行化学水处理的自动控制。化学水处理程控系统主要是以可编程序控制器 (Programmable Logic Controller简称PLC)为主，实现化学水处理过程的自动化控制。与常规控制相比，在技术上具有控制功能强，编程简单，实现工艺联锁方便，可省去大量的硬接线，维护方便，可在线修改等特点。PLC不但能完成复杂的继电器控制逻辑，而且也能实现模拟量控制，甚至智能控制；并能实现远程通讯，联网及上位机监控等。可为全厂实现计算机控制和管理创造条件。电厂水处理是电厂运行中质量控制最高、最前沿的一个工艺过程，为电厂后续装置提供高质量的除盐水。除盐水的水质直接影响后续装置 锅炉、汽轮机等的安全运行。我厂原水处理工艺过程全部由人工手动操作、控制，水质受人为的因素干扰，运行状态及水质都不能达到最优化。对此，采用PLC改造过滤器及阴阳双室固定离子交换器为过程自动控制，系统的运行及阴阳双室固定离子交换器的再生达到了优化，性能达到了生产要求，出水水质稳定，降低了生产成本。2 工艺过程及方案的确定2.1工艺流程除去水中溶解性盐类，目前主要有三种方法：离子变换法、膜分离法和蒸溜法。在水处理领域内以离子交换法最为普遍。离子交换法是指某些物质遇水时，能将本身具有的离子与水中带同类电荷的离子进行交换反应的方法。这些物质祢离子交换刑。采用离子交换法可制得软化水、除碱水和除盐水。 化学水处理的方法主要是离子交换法,即利用离子交换树脂将水中溶盐的离子吸收。 经过一定时间的运行以后,离子交换树脂会失效,这时就需要停止运行将树脂再生(还原) ,以便使树脂可以重新使用(阳离子交换树脂失效时,使用酸进行再生;阴离子交换树脂失效时,使用碱进行再生)。 为了保证不间断的供水,化学水处理车间设有2组离子交换器,轮流进行再生。系统的示意图如图2.1所示,该系统由三个系列的过滤器、阳床(阳离子交换器) 、除CO2 器、阴床(阴离子交换器) 、混合阴阳离子交换器、除盐水箱等多台设备组成,程控系统控制工艺流程中的各个阀门、水泵和风机,根据运行时间选择1#系列、2#系列以及3#系列的运行,在工艺模拟图板上显示出工艺流程的实际流向,并反映阀门、水泵、风机和加药泵的运行状态。2台高效过滤器为后续除盐系统提供低浊度的清水，根据外供水(装置负荷)的变化及除盐水系统的制水量的变化，通过调节水过滤器的出水流量来保证清水箱的水位。高效纤维过滤器是一种将下端挂有重坠的膨化纤维长丝(d：2050 m)束丛，悬吊于设在过滤器上部的多孔板上充当过滤介质的过滤设备。在纤维束丛中贴近多孔板的部分设置若干个胶囊，过滤时无向囊内充水强行挤压周围的纤维束使之密实，然后水流自下而上穿过纤维孔隙进行上向流过的操作。当过滤器内的纤维吸附了足够的污物，必须进行清洗。其清洗过程是：排尽囊中的水，撤消对纤维束的挤压，使纤维束丛在重力和膨化纤维的弹力联合作用下恢复其膨松状态，然后进气、水联合拌动擦洗。 图2.1 工艺流程示意图双室固定阴(阳)离子交换器内填充两层不同的离子交换树脂，当水通过阴(阳)离子交换器时，其内的树脂能将水中的阴(阳)离子交换施放出OH一(H )，达到除去阴(阳)离子的目的。当树脂交换到一定的程度应进行再生处理。控制系统能对两台双室固定阳床、两台双室固定阴床、两台高效过滤器、三台机械过滤器、酸碱计量系统及清水箱、罗茨风机、增压系统等的运行、再生、清洗全自动化过程控制。控制CRT操作员站是化学水处理系统的控制中心，具有控制操作、数据采集、CRT画面显示、参数处理、越限报警、制表打印等功能。CRT画面按照实用、方便操作设计，可显示工艺流程图、棒图、趋势图、主要参数仿模拟仪表图、控制方位、顺序运行状况、设备开停状态等，当设备故障、参数越限报警时以闪烁显示，设备不同状态对应不同颜色显示。键盘操作有触感，有声音反馈。系统画面内容及幅数按用户要求。所有被监控信息均能打印记录。2.2锅炉补给水工艺系统概况本设计的锅炉补给水处理系统为2台135MW机组公用部分，系统为高效过滤器活性碳过滤器一级除盐加混床处理系统，其中一级除盐系统高效过滤器、活性碳过滤器及混床为母管制连接。一级除盐装置两套，一运一备，混床两台，一运一备，高效过滤器两台，一运一备，活性碳过滤器三台，两运一备。其工艺系统流程为：净水站来水纤维过滤器清水箱清水泵活性碳过滤器双室固定阳床除碳器中间水箱水泵中间水泵双室固定阴床混床除盐水箱除盐水泵主厂房。辅助设备包括酸碱部分、罗茨风机系统及中和池。除盐水正常供水量为：100t/h 除盐水最大供水量： 200t/h此工艺系统由预处理系统、化学除盐系统、酸碱系统三部分组成。中和池的控制也纳入锅炉补给水处理控制系统。2.3主要设备工作原理2.3.1高效过滤器该设备为高效无囊纤维过滤器，正常运行时，混浊的水由下而上流经过滤器，进水孔板（出水孔板为固定式，进水孔板为移动式）在水压的作用下向上移动，纤维的密度增加，水中的悬浮物被纤维阻截，出水浊度变小。随着纤维阻截杂质的增多，过滤器进出口压差随之增大，出水浊度也逐渐升高，当达到一定压差或出水浊度超标时，应停止运行，用水配合空气擦洗纤维中积聚的污泥并排出体外，过滤器重新恢复制水能力，如此反复循环运行。2.3.2活性炭过滤器活性炭过滤器是一种吸附过滤的设备。它的主要作用是除臭、脱色、除游氯、除有机物和胶体物、去除重金属、有机污染物和病毒以及放射性物质当含有吸附物质的水经过过滤器时，活性炭会起到一定的催化作用，促使离Cl2的水解和新生态氧的产生过程加速。Cl2+H2OHCl+HClO 活性炭HClOHCl+（O）（新生态氧）这里所产生的新生态氧可以和活性炭中的炭或其他易氧化的组分反应。设备中的填料在液相吸附中，一般有液膜扩散、颗粒细孔扩散和微孔表面吸附三个过程。填料应具有较高的耐磨强度，较大的吸附容量和较好的冲洗恢复能力。2.3.3阳床 双室阳床中的弱阳树脂主要吸收与HCO3-结合的Ca2+，Mg2+释放出H+，强阳树脂吸收水中的所有阳离子，释放出H+，随处理水量的增加，交换器内树脂保护层逐渐变薄，阳床首先漏钠离子，达到一定浓度时应停止运行，用酸再生，因为弱酸树脂对H+离子的吸收能力比强酸树脂强得多，所以新酸先再生强酸树脂，用强阳树脂再生后的废液再生弱阳树脂，待酸将树脂中的阳离子置换后，树脂又恢复了交换能力，可继续运行，如此反复循环。2.3.4除碳器除碳器内装有多面空心球，以使由上向下的水和由下向上上升的空气充分接触。因为在一定的温度下，气体的溶解度与它们在水界面的分压力成正比，扩大界面面积，水界面的CO2的分压力就很小，从而可以除去阳床出水中由H2CO3生成的CO2。2.3.5阴床弱碱树脂主要吸收SO42-、CL-、NO3-等强酸根阴离子，强碱树脂吸收水中所有的阴离子，释放出的OH-与阳床释放出的H+结合成水，随着处理水量的增加，交换器内树脂保护层逐渐变薄，强碱树脂首先释放出HSiO3-,当达到一定浓度时，停止运行，用碱再生。因为弱碱树脂OH-的吸收比强碱树脂强的多，所以新碱先经强碱树脂再生，阳树脂再生后的废液再经过弱碱树脂对其再生，待碱将树脂中的阴离子置换后，树脂又恢复了交换能力，可继续运行，如此反复循环。2.3.6混合床混床相当于无数个强酸床和强碱床串联在一起，除去前面阳床和阴床漏过的阳离子和阴离子，混床在吸收阳离子和阴离子后也会逐渐失去交换能力，当HSiO3-、NH4+、Na+等离子漏过达到一定浓度时，停止运行，进行反洗，利用失效阴阳离子交换树脂湿真密度的不同，用快速反洗和慢慢沉降的方法，将阴阳离子交换树脂分开，再用碱和酸分别将阴阳树脂再生，最后将阴阳树脂充分混合后再投入运行，如此反复循环。3水的预处理以地表水作为原水时，水中悬浮物及有机物去除较困难，国外无论从膜处理方面还是从防腐蚀角度考虑，更注重有机物的去除。天然水经过混凝处理后，虽然已经将其中大部分悬浮物除掉。从外现上看也常常是清澈透明的，但实际上水中免不了残留少量细小的悬浮颗粒，所以还需要进步对悬浮物进行处理，否则，进行离子交换处理时,会污染交换剂，妨碍运行。水经过澄清处理后，浊度通常在10-20mg/L。这种水不能直接送入后续除盐系统，例如逆流再生离子交换器要求将进水浊度降低到2mg/L 以下。进-步降低水中浊度的方法之一就是过滤处理。水通过多孔材抖层除悬浮物的过程，称为过滤。用于过滤的多孔材料称为滤料或过滤介质。石英砂是最常用的粒状过滤材料。过滤设备中堆积的滤料层称为滤层或滤床。装填滤料的钢筋混凝土构筑物称为滤池。装填滤料的钢制设备称为过滤器，运行时相对压力大于零的过滤器又称为机械过滤器。慢滤池的滤速一般大于5m/h。快滤池出力大，应用最为广泛。快滤池经过100多年的发展，已演变成多种池型：按水流方向分有下向流、上向流、双向流和辐射流滤池；按构成滤床的滤料品种数目分有单层滤料、双层滤料和三层滤料滤池；按阀门的数目分有四阀滤池、双阀滤池、单阀滤池和无阀滤池，等等。过滤设备通常位于沉淀池或澄清池之后。进水浊度一般在15 mg/L以下，滤水浊度一般在2 mg/L以下。过滤不仅可以降低水的浊度，而且随浊度的降低可同时除去水中的有机物，细菌甚至病毒，这对提高饮用水处理的质量和改善消毒效果有利。“过滤”和“反洗”是过滤设备两个最基本的操作。过滤设备的运行实际上是“过滤反洗过滤反洗”的周而复始的过程。3.1净水站概述3.1.1净水站工作流程为了供给2135MW机组循环水补充水和全厂工业、消防与生活用水的需要，本次净水站建设了2500m3/h制水系列。水源取淮河水,原水由补给水泵通过两根补给水管向净水站供水。 补给水泵 斜板絮凝沉淀池 工业水池 工业水泵 工业水系统 无阀滤池 淮河水 化学水池 化学水泵 化学补给水系统 高压消防水泵 高压消防水系统生活消防水池 生活消防水泵 生活消防水泵图3.1 净水站工作流程图3.1.2净水站主要设备规范设备名称型号与规格单 位数 量备 注絮凝沉淀池500t/h台21356080005100（高）无阀滤池160 t/h台2625032004730（高）生活消防水池600 m3个114700110004000（高）工业水池600 m3个114700110004000（高）化学水池500 m3个114300107003500（高）泥水泵房个1700045005500（高）冲洗复用水池个1730035003500（高）泥水浓缩池个1900045005500（高）工业水泵KQW200/400-75/4（Z）台3流量：210300360m3/h功率： N=75kW扬程：54.450.044.6m化学水泵KQW100/200-22/2台2流量：70100130m3/h功率： N=22kW扬程：54.750.040.3m全自动变频水泵100DL100-203 台2流量：100t/h，配套电机： N=30KW H=60m65DL32-15*4 台2流量：32t/h ，配套电机： N=11KW H=60m消防稳压装置隔膜式气压罐1只（=1200mm，V=450L，P=1.6MPa）稳压泵25LG3-1010 2台（Q=3.0m3/h，H=100m），配套电机： N=3.0KW 消防主泵200DL280-35*2台2流量：200280350 m3/h 扬程：747060m配套电机：Y280M-4 N=90KW n=1450rpm3.1.3无阀滤池 1.无阀滤池滤池是一种用来过滤水的构筑物，有关它的结构和运行等的基本原理与过滤器的相同，只是它下是采用钢制的密闭容器，面大都是用钢筋水泥制成的池于。所以滤池的造价比用钢制的压力式过滤器低，而且宜做成较大的过滤设备。滤池的种类很多，这里仅介绍常用的几种。无阀滤池是因其没有阀门而得名。无阀滤池的结构形式很多：有庄力式的，也有重力式的截而可以是圆形的，也可以是方形的。压力式和重力式无阀滤池的结构原理是相同的。压力式无阀滤池只适用于小型供水的场合，热力发电厂中常用的是重力式的。这种滤池的优点为；结构简甲、造价低廉、运行管理方便；缺点为：一是虹吸管必须很高，因为它的高度要使其中形成的水头和滤池失效时的阻为相适应；二是单个滤池不宜过大，因为过滤面积很大会使过滤水和反冼水的分布不易均匀。从而影啊其止常运行；此外，还有装铺滤料和更换滤料的工作比较困准。无阀滤池经反洗后，不能进行正洗排水，而是把这些水积累在冲流水箱中，这对过滤初期的出水水质有一些影响。2. 单阀滤池与无阀滤池相比较单阀滤池的工作原理与无阀滤池的基本相同单阀滤池同无阀滤池相比，它的优点是，虹吸管高度降低后，利于安装和维修；缺点是，操作比无阀滤池稍繁。就其造价而言，当单阀滤池无自动化装备时，两者大致相同。3. 2过滤原理 用粒状滤料进行过滤的方法虽然应用已久，但对它的机理却有个较长时期的认识过程，这与过滤技术有一个不断发展的历史有关。在L9世纪，工业用滤池中放置的砂粒很细，过滤时的滤速慢，大致为011一0.3m/h(按滤层截面估算)，这种滤池称为慢滤。慢滤池是依靠藻类和原生动物在砂层表面繁殖而生成的一层粘膜起过滤作用的。这种滤池被污泥堵塞后，需要把表面约23cm厚的砂层刮区。当滤层衮面的粘膜破刮瞬后，大约要隔1-2星期，才能重新形成。在粘膜还未形成的阶段，它的出水水质较差。粘膜形成后的出水水质是很好的，此时，不仅出水的浊浊度很小，且能去除细菌、臭味及改善色度。在应用慢滤池的时期，人们认为过滤的机理是筛分作用，即认为悬浮颗粒是因不能通过滤层中的微小孔眼面被机械地阻挡下来的。慢滤池虽然效果较好，但生产率太低，而且对于那些含有微小粘土颗粒的原水，处理效果较差，所以在工业上未能发展。现在，工业上常用的砂滤池称为快滤池，它的滤速常常高达8-12 m/h或更大。快滤池的过滤作用并不依靠表面形成的生物粘膜，所以无需等待一个粘膜形成阶段。快滤池中装载的砂子颗粒要比慢滤池的大，在一般情况下它并不能使天然水的浊度减小很多，但对于经混凝和澄清后的水或加有混凝剂的水，的确可以起有效的过滤作用。显然，对于快滤池的过滤过程，不能完全按照机械筛分作用来解释，因为过滤所能去除的不仅是大于过滤介质间孔径的颗粒，较小的也能除去。研究得知，在这种过滤过程，除了筛分作用外，还有以下一些作用：（1） 吸附。滤料颗粒表面吸附水中微小的颗粒；（2） 架桥。截留下来的悬浮物在滤料颗粒表面发生彼此重叠架桥的过程，因此形成了一层附加的滤膜；（3） 混凝。在凝絮、悬浮物和砂粒表面之间发生了与混凝作用相同的颗粒凝聚过程。3.3滤床特性滤层由滤料构成。用作滤料的物质，应具备以下条件：机械强度好，使用中不碎裂；粒度适当。此外，还应当价廉，便于取材。滤料有粒状、粉状和纤维状多种。常用粒状滤料有石英砂、无烟煤、活性炭、磁铁矿、陶瓷、塑料等；粉状滤料有粉末离子交换树脂和粉末活性炭等；纤维滤料有纸浆纤维、活性炭纤维、聚丙烯纤维等。现将各种指标分述如下：3.3.1化学稳定性 为了试验滤料的稳定性，可在一定条件下，用中性、酸性和碱性水溶液浸泡各种滤料，以观察此水溶液被污染的情况。下表3-1所示为某些滤料的实验数据。由表可知，石英砂适用于中性和酸性的水。带碱性的水，例如经过石灰处理的水，则不能用石英砂作滤料，因为二氧化硅要溶解，可用无烟煤或半烧白云石作滤料。3.3.2滤料粒度和滤层厚度 滤料的粒度（又称滤料的级配）和滤层厚度对过滤性能起决定性作用。粒度包括滤料的粗细和大小的分散程度两个方面。表示滤料粗细的指标主要有：有效粒径、平均粒径、当量粒径、最大粒径和最小粒径；表示滤料大小分散程度的指标有不均匀系数。滤层厚度是滤料在过滤设备中的堆积高度。过滤时，达到某规定水质所需要的滤层厚度，称悬浮杂质的穿透深度。穿透深度加上一定安全 因素的厚度（例如增加200mm）即为滤层的设计厚度。研究结果表明，滤料粒径对穿透深度和滤层的截污容量等有较大的影响。因此，滤料粒径或滤速太大，细小悬浮物容易穿透滤层，出水水质差；粒径或滤速太小，杂质的穿透能为差，滤层中的污泥局部集中，滤层堵塞快，水流阻为大，过滤能耗高，过滤周期短。所以，滤料粒径必须合适，过大过小都不好。 滤料的不均匀性对滤池的清洗也有影响，因为滤料颗粒差别太大会使反冲洗操作发生困难。例如，欲使冲洗流速达到粗大滤料松动时，细小滤料可能被水流携带出过滤设备而流失。反之，若保证滤料不流失，必须降低冲洗流速，这时粗大滤料又流动不起来，冲洗效果差。3.4过滤工艺3.4.1过滤运行过滤运行呈循环状，是由过滤、反洗和正洗三个步骤组成一个周期。当粒状滤料工作到滤层中截留有多量泥渣时，为了恢复它的过滤能为，需要将滤层进行冲洗。冲洗的第一步是用快速水流由下而上通过滤层，将滤层中截留下来的泥渣和因滤料颗粒碎裂而生成的粉末冲走，这称为反洗。第二步是按与过滤运行相同的方式通水，只是将不合格的出水排走，这称为正洗。待正洗至出水合格时，便可重新投入过滤运行。（1） 过滤效果过滤的运行效果，通常由两个方面来评价：一是出水水质，也就是水中残留悬浮物的多少；二是滤层的截污能为。（2） 滤速水流通过滤层的真流速应该是水在滤料的颗粒与颗粒之间孔隙中的流速。 现常用滤速是根据滤池中没有滤料的假设条件计算出来的，如式(3-1)V=Q/S (3-1)式中v滤速,m /h； Q滤池的出力,m/h； S滤池的过滤截面, m； 滤池的滤速不宜过慢或过快。滤速过慢意味着单位过滤面积的出力小。因此为了要达到一定的出力，必须增大过滤面积。这样不仅要增加投资，而且设备变得庞大。滤速太快会使出水水质下降，运行时的水头损失加大，过滤周期缩短。最大允许滤速主要决定于滤料的粒径，粒径愈小，允序的滤速愈小。 图3.2 滤速对滤池运行的影响图3.2所示为所用滤料才有效粒径为0.45mm、不均匀系数为1.64时，滤速对滤池运行影响的试验结果。由图可知当滤速增大时，出水悬浮物增多。过滤周期缩短。（3）反洗强度反洗水流速度的大小可用“反洗强度”来表示，通常按每秒钟内流过每平方米过滤截面的反洗水量（升）来表示。反洗强度应该适当，做到使滤层充分松动，因而能够发生颗粒间相可碰撞和摩擦，并使颗粒受到水流的冲引作用。反洗强度还应控制到使泥渣和微小的滤料碎末能被冲走，但正常的滤使滤料颗粒相互粘结起来，发生滤料结块观象。这里顺便提一下，为了改进滤层的冲洗效果，有许多滤池中设有压缩空气管道，以进行气水合洗。 3.4.2滤池的维护（1）反洗强度和膨胀率滤池在运行中如果清洗效果不好，则会发生过滤运行的周期短，出水的浑浊度大等现象。造成这种后果的主要原因是反洗的强度下够，因而滤料层的膨胀率太小。为此，必要时需进行试验，求取应维持多人的流速才能使滤层达到必要的膨胀率。（2）化学清洗 有时，滤池的清洗操作虽然良好，但通过了一段较长时期运行后，仍然会出现过滤效果恶化。过滤周期缩短的现象。这是因为，即便是合理的冲洗操作，也不能便滤料层中污物清除干净，有些污物粘附在滤料颗粒的表面上，不易用水洗去，所以日积月累，就会影响到滤层的运行。在这种情况下，有必要采取化学清洗的措施，以清除这些冲洗不去的污物。由于这些污物的种类不一，比如有的是有机物质，有的是沉淀处理的后期析出物，所以化学清洗所用的方法也就不同。3.4.3过滤器 过滤设备有多种类型，难以归纳分类。所以我们只能按照它们的一些特点作相对的区分。例如，按工作压为可分为压为式和重为式；按滤层的组成可分为单层和多层；按水的流向可做下向流、上向流和双流；桉运行工况可分为恒流量和恒压。所有这些类别，这里不洋细叙述，以下仅讲几种典型设备，据此可以了解各类设备的结构要点。 习惯上，把密闭的容器式过滤设备称为过滤器。工业上用的过滤器通常由圆柱形钢制容器所组成，在压为下运行，属于压为式过滤器。一、普通过滤器最简单的压为式过滤器是用单层滤料、下向流式。这种过滤器的结构和运行都较简单。它最无被采用，现在还被应用，所以这里称它为普通过滤器，作为典型，首先介绍。1、结构 图3.3所示为普通过滤器结构的示意。此种过滤器本体内安置的装备有：进水装置、配水系统，有时还有进压缩空气的装置。在本体的外面设有各种必要的管道、阀门和仪表等。(1)进水装置。进水装置是用来送入需过滤的水，有时兼起反冼排水的作用。在普通过滤器中，进水装置和滤层之间隔着一段空间，它是为了反冼时滤层膨胀的需要而设置的。在过滤运行时，此空间一直充满着水，故称它为水垫层。水垫层的存在，可以促进水流均匀的作用，所以在普通过滤器中，进水装置的结构形式往往不是影响滤层中水流分布的主要因素，因而可以采用比较简单的结构，如在进水管出口端设置一个口向上的漏斗配水系统。设于普通过滤器下部的配水系统真是用来安置滤料，排出经过滤的水和送入反洗用的水。它的作用除了保证水流在滤层中分布均匀外，还可防止滤料泄漏。图3.3 普通过滤器1-空气管 2-监督管 3-采样阀(2) 配水系统。配水系统的类型较多，现在常使甲的有配水帽式、滤布式和真砂砾式等。2. 机械过滤器工作原理。机械过滤器的运行是呈周期性的，每个周期可分为过滤、反洗和正洗三个步骤。过滤阶段：进水由上而下以810m/h的流速通过滤层，得到品质较优的出水，直至运行水流通过滤层压为降为0.50.1MPa时，停止过滤进行反洗。反洗阶段：无将过滤器内的水排放到滤层的上缘，然后，通入强度为18 25 s.m2的压缩空气，吹洗35分钟后，在继续供给空气的情况下。向过滤器送入反洗水，使滤层膨胀l015 ，反洗水迭23分钟后，停止送空气。继续用水反洗1 1.5分钟后，从而将滤层中的污物清除。正洗阶段：反洗结束后，进水以相同于过滤阶段流向、要求进入过滤器、直至出水合格。3.运行 普通过滤器的运行流速约8-10m/h，当它运行到水流通过滤层的压为降达到规定值时，停止过滤运行，开始反洗。此时，将过滤器的水排放到滤层的上缘为止（可由过滤器上的监督管中流水情况来判断），然后送入强度为18-25L/（s.m2）的压缩空气，吹洗3-5min后，在继续用水反洗1-1.5min，此时反洗水的强度应使滤层的膨胀率约达40%-50%。最后，用水正洗直至出水合格，方可开始正式过滤运行。 二、多层滤料过滤器 为了改变普通过滤器中滤料是“上细下粗”的不利排列方式，办法之一是采用双层或三层滤料过滤器。1.双层滤料过滤器 双层滤料过滤器的结构与普通过滤器相同，只是在滤床上分层安放着两种不同的滤料。上层为相对密度小、粒径大的滤料。下层为相对密度大、粒径小的滤料，通常采用的是上层无烟煤，下层石英砂。 滤料颗粒层呈上大下小的状态对过滤过程很有利，因为进水由上部送入时，首先遇到的是颗粒较大的无烟煤滤料，过滤作用可以深入到滤层中，发生渗透过滤作用。下层较小的颗粒山能截取一部分泥渣，起保证出水水质的作用。 双层滤料与单层的相比，其截污能为较大。水头损失增加比较缓慢，滤速可提高，工作周期可延长。双层滤料能否良好地运行，煤砂粒度的选择是关键间题。这必须做到反洗时煤砂分层良好，否则小颗粒砂子混在大颗粒煤粒中，有可能使滤层中的孔隙比单纯用砂粒的述小，这不利于过滤。但是，要它们完全不混合也是很难做到的。2.三层滤料过滤器 三层滤料的原理和结构与双层滤料床相似，它相当于在双层滤料床下而加了一层相对密度更大、颗粒更小的滤料。所以前者好像是后者发展的结果，但实际情况是三层床的生产率要大得多。 在双层滤料过滤器中，为了避免两层滤料相混，石英砂的最小粒径通常比单层石英砂滤床的最小粒径要大。这样。就发生了滤速不能过大的间题，因为滤速过大，悬浮物易穿透床层，使出水浊度升高。在二层滤料过滤器中，由于滤层滤料的大小分成了三级，所以上层可以采用较大颗粒以发挥滤料的接触凝聚过滤作用，下层可以采用较小颗较以去除水中残存悬浮物，此时不会有小颗粒混入上层的问题，因为中层滤料可以起减少大颗粒和小颗粒相混的作用。3.5纤维过滤3.5.1纤维过滤器利用纤维材料作为过滤介质的过滤设备，国内外都有研究，这里介绍的为一种国内研制的设备，它被命名为LLY高放过滤器。1.结构LLY高放过滤器的本体是钢板焊制制成的，形同普通过滤器。器内上部为多孔隔板，板下悬挂丙纶长丝(固定端)，在纤维束下悬挂定数量的管形重坠（自由端）。管形重坠的作用是防止运行或清洗时纤维互相缠绕和乱层，另外也起配水和和配气作用。在纤维的周围或内部装有密封式胶囊，将过滤器分隔为加压室和过滤室。图3.4为此种过滤器的示意。 AB13141512图3.4（纤维过滤器）（左）外部管道和阀门 （右）内部结构1-原水进口阀； 2-清水出口阀； 3-下向洗水进口阀； 4-下向排水；5-上向排水阀； 6-空气进口阀； 7-胶囊充水阀； 8-胶囊排水阀；9-排气阀； 10-自控装置； 11-多孔隔板； 12-胶囊； 13-纤维；14-管型重锤； 15-配器管； A-加压室； B-过滤室为了保证滤料的清洗效果，装填的纤维应保持一定的松散度，且在过滤器下部设有进压缩空气的配气管。为了控制加压室的充水量和保证胶囊的运行安全，在充水管道上装有定量充水和压为保护装置10。3.5.2纤维过滤器的运行（1）失效和胶囊排水。当过滤器运行到终点时，关闭清水出口阀和打开胶囊排水阀，使胶囊中水全部排出，纤维呈松散状态。 （2）下向洗。用水自上同下清洗，同时通入压缩空气，这样可使纤维不断摆动，相互摩擦，洗掉附着的悬浮物。(3)上向冼。用水自下向上清洗，同时仍通以压缩空气，进行擦洗和赶走悬浮物。此时，水流速约为15m/h，不能太快，否则会照成吊坠和纤维上浮。（4）排气。关闭空气进口阀，使过滤器中空气在水流冲击下拍尽。（5）胶囊充水。打开胶囊充水阀，进行胶囊充水。（6）投运。用水自下向上通过过滤器，控制适当的流速（一般为30m/h），待出水合格后，向外送水。3.5.3纤维过滤器技术特性（1）出水水质。当进水经混凝处理时，出水浊度1度。（2）载污容量。当水流速为30m/h时，载流容量为4.9kg/m3,水流速为50m/h时，为2.3kg/m3。（3）水头损失。周期平均水头损失为0.020.06MPa，最大的水头损失一般不超过0.2 Mpa,如增加胶囊充水量和提高水速，则水头损失随之增大。3.6活性炭过滤器在水中溶液中，常用的吸附剂有活性炭、硅胶、活性铝和硅藻土等；近来，据报导在美国制成一种命名力Ambersorb的大孔炭质吸附剂，它具有优异的机械强度和耐磨性，且易于再生。下面介绍最常用的吸附剂活性炭。 活性炭是由动物炭、木炭或沥青炭等经药剂处理或高温焙烧等活化过程而制成的。活化的目的足造成细孔，扩大吸附面积。活性炭的比表而积很大，每克活性炭的细孔总容积可达0.6-1.8L。用于吸附过滤的活性炭都是制成颗粒状的，其粒径通常为l一4mm，可以随需要远取。活性炭是非极性吸附剂，所以它对于某些有机物有较强的吸附力，活性炭的吸附力以物理吸附为主，一般是可逆的。研究证明，用活性炭过滤法除去水中游离氯能够进行得很彻底。这个过程，不完全是由于活性炭表面对氯的物理吸附作用，而是由于活性炭表面起了催化作用，促使游离氯的水解和产生态氧的过程加速，如式3-1和3-2： CL+HO HCL+HCLO (3-1) HCLOHCL+O (3-2)这里所产生的新生态氧可以和活性炭中的碳或其他易氧化的组成反应，例如：C+2OCO 活性炭可以用来降低水中有机物的含量，但是由于天然水中有机物种类繁多，分子的大小也不统一，所以在不同条件下活性炭除去有机物的效率并不相同，通常它不能将有机物除尽。根据活性炭的本质和水中有机物的组成，其吸附率约为20%-80%。如活性炭在运行中因沾染有悬浮物或胶体而影响其正常工作，则可以用冲洗的办法来清洗。如果活性炭的吸附能力已经消失，则可选用下列的方法再生：1）用蒸汽吹洗；2）高温烧，使吸附的有机物分解与挥发；3）用适当的溶液把吸附的杂质解吸下来，例如用NaOH或NaOH；4）用有机溶剂萃取。然而，这些再生技术迄今还不成熟，因此怎样处理在技术经济最适宜，目前尚不能定论。在有些国家，为了避免废料造成环境污染而倾向于再生处理。 4.离子交换除盐 为了除去水中离子态杂质，除士水中溶解性盐类，目前主要有三种方法：离子变换法、膜分离法和蒸溜法。在水处理领域内以离子交换法最为普遍。离子交换法是使某些物质遇水时，能将本身具有的离子与水中带同类电荷的离子进行交换反应的方法。这些物质祢离子交换刑。采用离子交换法可制得软化水、除碱水和除盐水。现在采用得最普遍的方法是离子交换。这种方法可以将水中离子态杂质清除得比较彻底。因而能制得很纯的水。所以在热力发电厂锅炉用水的制备工艺中它是一十必要的步骤。 离子交换处理，必须用一种称做离子交换剂的物质（简称交换剂）来进行。这种物质遇水时，可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号的离了相互交换，如Na型离子交换剂届列含有Ca2+的水时，就发生如式(4-1)的交换反应：上式中R表示离子交换剂结构中不可交换的部分，有时也用来表示离子交换剂的骨架。R不是化学符合，没有化学组成和化学价的涵义。反应结果，水中Ca2+被吸着在交换刑上，交换剂转变成Ca2+型，而交换剂上原有的Na+跑入水中。这样水中的Ca2+就破除去了。转变成Ca型的交换剂，可以用钠盐溶液通过的办法，使其再变成Na型的交换剂，以便重新使用，这是交换剂具有实用价值的一个重要万面。离子交换剂的种类很多，有天然和人造有机和无机、用离子型和阴离子型等之分，大慨情况如表41所示。此外。按结构特征来分，还有大孔型和凝胶型等。在离子交换初期，采用的只有天然的无机质离子交换剂，如海绿砂。然而这类物质不能用于酸性介质，而且其互换容量较小，所以现已被人造离子交换剂替代，特别是由于合成离子交换树脂的制造成功，变换剂的品种下断增加，应用更为广泛，本设计将以离子文换树脂为典型加以介绍。4.1离子交换树脂4.1.1离子交换树脂的结构离子交换树脂是-类带有活性基团的网状结构高分子化合物。在它的分子结构中，可以人为地分为两个部分：一部分称为离子交换树脂的骨架，它是高分子化合物的基体，具有庞大的空间结构，支撑着整个化合物；另一部分是带有可交换离子的活性基团，它化合在高分子骨架上，起提供可变换离子的作用。活性基团也是由两部分组成：一是固定部分，与骨架牢固结合，不能自由栘动，称为固定离子；二是活动部分，遇水可以电离，并能在一定范围内自由移动，可与周围水中的其他带同类电荷的离子进行交换反应，称为可交换离子。 4.1.2离子交换树脂的分类1.按活性基团的性质分类见表4-1根据离子交换树脂所带活性基团的性质，可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。带有酸性活性基团、能与水中阳离子进行交换的称阳离子交换树脂；带有碱性活性基团，能与水中阴离子进行交换的称阴离子交换树脂；按活性基团上H+或OH电离的强弱程度，又可分为强酸性阳离子交换树脂和弱酸性阳离子交换树脂;强碱性阴离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂。 此外，按活性基团的性质还可分为螯合性、两性以及氧化还原树脂。2.按离子交换树脂的孔型分类（1）凝胶型树脂 这种树脂是苯乙烯和二乙烯苯混合物在引发剂存在下进行悬浮聚合得到具有交联网状结构的聚合物，因为这种聚合物呈透明或半透明的凝胶结构，所以称凝胶型树脂。凝胶型树脂的网孔通常很小，平均孔径约为1-2mm，且大小不一。在干的状态下，这些网孔并不存在，当浸入水中呈湿态时，它们才显示出来。 因凝胶型树脂孔径小，不利于离子运动，直径较大的分子通过时。容易堵塞网孔，再生时也不易洗脱下来，所以凝胶型树脂易受到有机物污染。（2）大孔型树脂 这类树脂的制备方法和凝胶型树脂的不同主要是高分子聚合物骨架的制备。制备大孔结构高分子聚合物骨架时，要在单体混合物中加入致孔剂，侍聚合反应完成后，再将致孔剂抽提出来，这样便留下了永久性网孔，称为物理孔。大孔型树脂的特点是在整个树脂内部无论干或湿、收缩或溶胀都存在着比凝胶型树脂更多、更大的孔(孔径一般在20100mm)，因此比表面积大。所以，它具有抗有机物污染的能力，被截留在网孔中的有机物容易在再生过程中被冼脱下来。大孔型树脂由于孔隙占据一定的空间，离子交换基团含量相应减少，所以交换容量比凝胶型树脂低些。大孔型树脂的交联度通常要比凝胶型的大，所以它的抗氧化能力较强，机械强度较高。对于凝胶型树脂来说，如果采用增大交联度的办法来提高其机械强度，则因制成的树脂网孔过小，离子交换速度缓慢，就失去了应用意义。通常，凝胶型树脂的交联度在7左右而大孔型树脂的交联度可高达1620%。3按单体种类分类按合成树脂的单体种类不同，离子交换树脂还可分为苯乙烯系、丙烯酸系等。4.1.3离子交换树脂的命名方法 离子交换树脂产品的型号是根据国家标准GB63l-79离子交换注重产品分类、命名及型号而制定的。 1.名称 离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架(或基团)名称、基本名称依次排列组成，基本名称为离子交换树脂。大孔型树脂在全名称前加“大孔”两字。分类属酸性的在基本名称前加“阳”字；分类届碱性的，在基本名称前加“阴”字。2.型号 离子交换树脂产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位数字代表产品分类，第二位数字代表骨架组成，第三位数字为顺序号用以区别活性基团或交联刑的差异。代号数字的意义见表4-2和表4-3。 凡属大孔型树脂，在型号前加“大”字的汉语拼音苜位字母”D”；凡属凝胶型树脂，在型号前不加任何字母，交联度值可在型号后用”符号联接阿拉伯数字丧示。表4-2 分类代号（第一位数字）表4-3 骨架代号（第二位数字）离子交换树脂型号图解如下： 根据以上原则，水处理中常用的四种离子交换数字全名称及型号分别为：强酸型苯乙烯阳离子交换树脂，型号位0017；强碱型苯乙烯阴离子交换数字，型号位2017；大孔型弱酸型丙烯酸系阳离子交换树脂，型号为D111、D113；大孔型弱酸性苯乙烯阴离子交换树脂，型号为D301 、D302。 4.1.4离子交换树脂的合成 目前常用的离子交换树脂合成过程一般外为两个阶段：高分子聚合物骨架的制备和在高在高分子聚台物骨架上引入活性基团的反应。即首先将单体(进行高分子聚合的主要原料)制备成球状颗粒的高分子聚合物，然后在这种高分子聚合物上进行有机高分子反应，使之带上所需的活性基团。 也有些离子交换树脂是由已具备活性基团的单体经过聚合，或在聚合过程中同时引入活性基团，直接一步制得的，如丙烯酸系树脂； 为了书写化学式的方便，常把树脂骨架和固定离子用R表示，酸性树脂表示成RH，碱性树脂表示成ROH。这种表示方法不能反映树脂酸碱性的强弱，所以有时把固定离子也表示出来，如强酸性阳树脂哀示为RSO3H,弱酸性阳树脂表示为RCOOH。4.1.5离子交换树脂的交换原理 在水分子的作用下，离子交换树脂的可交换离子有向水中扩散的倾向。从而使树脂活性基团上留有与可交换离子相反的电荷，形成正的或负的电场，由于异性电荷的吸引力而抑制了可交换离子的进一步扩散。其结果是，在浓差扩散和静电引力两种相反力的作用